Полупроводниковые приборы и принципы их работы

Автор: Перов Евгений Юрьевич

Место работы: МБОУ СОШ №19 Усть-Лабинский район Краснодарский край

Должность: учитель физики

10 класс.

Тема урока: Полупроводниковые приборы и принципы

их работы.

Цели урока

Обучения:

• Обеспечить усвоение учащимися признаков полупроводников и их свойств;

• Добиться усвоения учащимися понятий собственная и примесная проводимость полупроводника.

Развития:

• Развитие синтезирующего мышления - развитие умения устанавливать единые, общие признаки и свойства целого, составлять план изученного материала.

• Формирование умений выделять главное, составлять план, тезисы, вести конспекты.

Воспитания:

• Воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям;

• Воспитание дисциплинированности;

Тип урока - изучение нового материала

Вид урока - беседа

Методы обучения - словесные.

Оборудование:

1. Мультимедийная система

2. Презентация «Свойства полупроводников и их применение»

3. Образцы современных диодов.

Ход урока

1. Организация начла урока.

Объявление темы урока. Постановка целей.

2. Изучение нового материала.

Учитель.

В периодической таблице Менделеева металлы (проводники) от металлов (изоляторов) отделяет ряд переходных элементов - полупроводников, которые в кристаллическом состоянии характеризуются следующими признаками:

Вопрос:

1. Назовите основные отличия друг от друга проводников и диэлектриков.

2. Что является основными носителями заряда в проводниках?

1. При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводники ведут себя как изоляторы (не проводят электрический ток).

2. С повышением температуры удельное сопротивление ρ полупроводников уменьшается, что отличает их от металлов, у которых наблюдается обратная зависимость.

3. Значения удельного сопротивления при комнатной температуре (Т = 300К) для типичных полупроводников лежат в пределах (0,1 - 1000)Ом-м и занимает промежуточное значение между удельными сопротивлениями металлов и диэлектриков.

4. Электрический ток в полупроводниках возникает за счет упорядоченного перемещения зарядов обоих знаков - положительных и отрицательных.

Перечисленными выше свойствами обладают в основном элементы 3 - 6 групп периодической таблицы, такие как бор, кремний, германий, мышьяк, а также многие химические соединения, например арсенид галлия, сурьмистый индий и т.д.

Уменьшение удельного сопротивления полупроводников с ростом температуры объясняется увеличением в них числа свободных электронов. Электроны проводимости возникают при нагревании в результате разрыва ковалентных химических связей, которые устанавливает в кристалле данный атом полупроводника с окружающими его атомами за счет своих валентных электронов. Необходимая для этого энергия составляет W ≈ 1эВ (для диэлектрика существенно больше).

При комнатной температуре в химически чистом полупроводнике высвобождается лишь малая доля валентных электронов за счет случайного приобретения ими необходимой энергии; например, в германии при концентрации валентных электронов ~10 28м^-3 концентрация свободных электронов составляет ~10 19м^-3, т.е разрывается одна из 10- 9 связей. С понижением температуры кристалла вероятность случайного появления свободных электронов стремится к нулю: удельное сопротивление неограниченно возрастает.

Вопрос:

1. Что будет происходить с носителями зарядов при наложении внешнего электрического поля?

Собственной называется проводимость химически чистого полупроводника, обладающей совершенной кристаллической решеткой.

Она обеспечивает направленным перемещением под действием приложенного электрического поля свободных электронов и эффективных положительных зарядов, называемых дырками. Такой тип проводимости называется электронно-дырочным или n-p-проводимостью.

Объяснить механизм собственной проводимости полупроводников можно на основании следующих представлений. При тепловом разрушении ковалентных связей, образованных валентными электронами атома полупроводника находящегося в узле кристаллической решетки, одновременно возникают свободный электрон и избыточный положительный заряд - дырка, являющаяся ионом того атома полупроводника, который покинул электрон. Восстановление данной ковалентной связи может происходить как за счет свободных электронов, так и за счет электронов, переместившихся из соседних связей. В первом случае происходит исчезновение (рекомбинация) равных по величине положительных и отрицательных зарядов. Во втором случае количество зарядов не уменьшается, а наблюдается перемещение дырки на место захваченного электрона.

Реальные кристаллические решетки полупроводников имеют дефекты, присутствие которых может повышать их электропроводность на несколько порядков. При практическом использовании полупроводников дефекты создаются целенаправленно введением в кристалл атомов примеси, отличающихся по валентности (обычно на единицу) от атомов полупроводника. Если валентность примеси больше, то она называется донорной, если меньше - акцепторной. Проводимость полупроводника, содержащего примеси, называется примесной.

Освободившиеся электроны могут создавать проводимость n-типа.

При этом концентрация свободных электронов значительно больше концентрации дырок.

Атом акцепторной трехвалентной примеси в полупроводнике, например, бора не может установить парные связи со всеми соседними атомами матрицы, поскольку имеет меньше валентных электронов. Незаполненная связь может быть восстановлена за счет перехода электрона от соседнего атома решетки. В результате образуется положительный ион полупроводника, который называется дырка. Дырка может перемещаться по кристаллу, как свободный заряд, создавая проводимость p-типа. Уже при комнатной температуре концентрация дырок в полупроводнике практически равна концентрации атомов примеси и концентрация дырок больше концентрации свободных электронов.

Полупроводниковый диод. Транзистор.

В основе работы многих полупроводниковых приборов, в частности, диода и биполярного транзистора, лежат свойства p-n перехода.

P-n переход - это зона контакта полупроводников с различным типом примесной проводимости.

P-n получают либо при выращивании кристаллов, либо при их соответствующей обработке (но не механическим соединением).

При образовании p-n перехода наблюдается интенсивная диффузия электронов из n-области в p-область и встречная диффузия дырок из p-области в n-область. В результате p-область в зоне контакта заряжается отрицательно, n-область - положительно, и образуется двойной электрический слой шириной L, электрическое поле которого препятствует диффузии основных носителей тока через зону контакта. Концентрация основных носителей тока в зоне контакта вследствие диффузии и рекомбинации уменьшается, поэтому важную роль в формировании двойного слоя имеют некомпенсированные заряды, заряды ионизированных атомов примесей.

Для основных носителей электрическое поле перехода не является препятствием, и они, случайно дрейфуя, через p-n переход создают ток, противоположный диффузионному. Динамическое равновесие наступает при установлении такой напряженности поля двойного слоя, когда суммарный ток всех зарядов через p-n переход равен нулю. Соответствующая разность потенциалов в области перехода называется потенциальным барьером.

Характеристики p-n перехода зависят от внешнего электрического поля. Если внешний источник подключен положительным полюсом к p-области, а отрицательным к n-области, то основные носители будут двигаться под действием поля навстречу друг другу к зоне контакта, частично потенцируя заряд двойного слоя. Сопротивление слоя, его ширина и высота потенциального барьера уменьшается, поэтому происходит быстрое нарастание тока основных носителей с увеличением внешнего напряжения.

Если положительный полюс источника подключить к n-области, а отрицательный к p-области, то основные носители будут двигаться под действием электрического поля от зоны контакта, увеличивая не скомпенсированный заряд двойного слоя. Это приводит к увеличению ширины двойного слоя, росту сопротивления перехода и высоту потенциального барьера.

Ток основных носителей резко уменьшается, через p-n переход будет протекать малый ток неосновных носителей, быстро достигающий насыщения при увеличении внешнего напряжения. Такой тип включения называется обратным.

Ярко выраженная односторонняя проводимость p-n перехода используется в полупроводниковом диоде - устройстве, содержащем один p-n переход и применяемом для выпрямления переменного тока.

Характеристика полупроводникового диода в основном определяются свойствами входящего в него идеализированного p-n перехода, однако, всегда имеются некоторые отклонения обусловленные особенностями конструкции.

Полупроводниковые диоды обладают рядом преимуществ перед ламповыми диодами: экономичность, миниатюрность, высокая надежность и большой срок службы. Недостатком полупроводниковых диодов является чувствительность к колебаниям температуры и радиационному облучению.

Устройство, состоящее из двух p-n переходов, приложенных навстречу друг другу, называют биполярным транзистором. Возможно чередование областей в последовательности p-n-p или n-p-n.

Основная часть транзистора, именуемая базой, представляет собой легированный примесью кристалл полупроводника малой толщины, к которому с двух сторон примыкают области с другим типом проводимости - эмиттер и коллектор. В приближенных теориях транзистор рассматривают как совокупность двух диодов, включенных навстречу друг другу.

На практике транзисторы используются как усилители по силе тока, напряженности и мощности.

3.Итог урока.

Учитель: А теперь, давайте подведем итог нашего урока.

1. Выяснили основные свойства полупроводников.

2. Узнали о механизме собственной и примесной проводимости полупроводника.

3. Устройство п\п диода.

4. Выяснили вид ВАХ п\п диода.

5. Выпрямление переменного тока с помощью п\п диода.

4.Задание на дом: конспект урока, периодическая система элементов(повторить).